1700951302
1700951303
1700951304
1700951305
图5-4 质子的电荷由三个价夸克（valence quarks，即两个上夸克与一个下夸克）携带。
1700951306
1700951307
我们永远不可能分离出单独的夸克。似乎所有的夸克都携带着一种胶水，它们在长程作用时会变得黏稠无比——传递强相互作用力的粒子出于这个原因被称为胶子（gluon）。你可以想象一条橡皮圈，只有当你拉伸它的时候才有弹性力的出现。在质子或中子的内部，夸克可以自由运动，但当你试图把一个夸克移出很长的距离时，就需要额外的能量。
1700951308
1700951309
即便这种解释是完全正确、合理的，在使用这种解释时也要极为小心。人们不由得把夸克想象为一些被束缚在一个口袋里的东西，存在一些真实有形的障碍导致它们不能从中脱离。事实上，确实有一个描述原子和系统的模型在本质上把质子和中子精确地处理为这个样子。然而，这个模型与我们稍后将要提到的其他模型不同，它并不是针对真实发生的事情提出的假说。它的目的仅仅是为了在某个范围的尺度和能标上进行计算，那些范围内的力太过强大，我们熟悉的方法都不适用于它。
1700951310
1700951311
质子与中子都不是香肠，质子中的夸克并没有包围着它的“人造肠衣”。质子是在强相互作用力的作用下，由三个夸克稳定结合而成的。在强相互作用力的作用下，三个小夸克运动一致，看上去像同一个事物，即质子或者中子 。
1700951312
1700951313
另一个有关强相互作用力与量子力学的重要结果，是质子或中子中创造出的额外虚粒子（virtual particle）。量子力学允许这种粒子的存在，它们并不能长久地存在，然而在特定的时间都可以提供能量。按照爱因斯坦著名的质能方程E=mc2 ，质量等同于质子与中子中的能量，并非仅仅由夸克本身携带，还涉及那些把它们结合在一起的束缚。强相互作用力就像把两个球捆绑在一起的橡皮圈，它本身也携带能量。“解放”出这些内蕴的能量就允许了新粒子的产生。
1700951314
1700951315
虚粒子
1700951316
1700951317
由质子或中子的相互作用所创造。虚粒子并不能长久地存在，但在特定的时间点上可以提供能量。
1700951318
1700951319
只要新粒子的净电荷为零，质子中的能量可以产生新粒子这一事实就不违背任何已知的物理定律。例如，产生虚粒子的时候，带有正电荷的质子不可能突变为中性粒子。
1700951320
1700951321
这意味着，任何时候只要载有非零电荷的夸克产生，就必然有与夸克质量相同但是带有相反电荷的反夸克（antiquark）粒子产生。事实上，夸克-反夸克对都可以产生或者湮灭。例如，夸克与反夸克都可以产生光子（传递电磁相互作用力的粒子），光子又可以产生另一个粒子-反粒子对（见图5-5）。它们的总电荷为零，即便粒子对可以产生或者湮灭，质子内部的总电荷却永远不变。
1700951322
1700951323
1700951324
1700951325
1700951326
图5-5 能量足够高的夸克与反夸克可以湮灭而转变成能量，进而产生其他带电粒子及其反粒子。
1700951327
1700951328
除了夸克与反夸克之外，包含着被创造出虚粒子的质子海（proton sea）也包含胶子。胶子是传递强相互作用力的粒子，这个过程类似于带电粒子之间通过交换光子来传递电磁相互作用力。胶子（总共有8个不同的类别）在传递强相互作用力时也有类似的表现。它们在强相互作用力作用的载荷粒子之间交换，而这种交换的过程使夸克之间相结合或者相排斥。
1700951329
1700951330
然而，与光子不同，胶子本身受强相互作用力的支配，而光子本身不带电荷，所以并不直接受到电磁相互作用力的作用。因此，光子可以传递长程作用力，所以我们才可以在数里之外接收到电视信号；而胶子如夸克一样，在相互作用的过程中并不能行进太远。胶子只能在小如质子的尺度上结合事物。
1700951331
1700951332
如果我们以教科书式的严谨目光来审视质子且仅仅关注带有质子荷的元素，就会认为质子主要由三个夸克组成。然而，质子所包含的东西远比三个对其电荷有贡献的价夸克（两个上夸克与一个单独的下夸克）要多。在对质子荷有贡献的三个夸克之外，质子的内部是一片虚粒子的海洋，它们包括夸克-反夸克对与胶子。越接近质子，就能找到越多的虚夸克-反夸克对与胶子，真实的分布取决于我们探测它时所使用的能量。今天，我们把质子对撞在一起的能标上，可以找到它们的精确能量数值，这些能量由各种不同类型的虚胶子、夸克与反夸克携带。对决定电荷而言它并不重要，因为这些虚粒子的总电荷为零。然而正如我们稍后将要看到的，当需要得知质子中精确存在的事物以及携带能量的媒介是什么时，它们对预测质子对撞的结果来说，却是必要的（图5-6描绘了质子中更复杂的结构）。
1700951333
1700951334
1700951335
1700951336
1700951337
图5-6 大型强子对撞机在很高的能标上把质子对撞在一起，每个质子都包含三个夸克以及也参与对撞过程的很多虚夸克和胶子。
1700951338
1700951339
既然我们已经来到了由强相互作用力结合在一起的夸克尺度上，我已经可以讲述在更小的尺度上将要发生什么了。夸克之中还有其他结构吗？电子之中呢？直到现在，我们还没有证据证实这样的事情存在。至今还没有任何实验给出更深子结构存在的证据。在我们的物质内部结构之旅中，夸克与电子就是终点站了——至少迄今为止是这样的。
1700951340
1700951341
然而，大型强子对撞机探索使用的能标比过去高1000倍以上，因此我们可以在以往千分之一的尺度上，而这正是与质子质量相关的尺度。大型强子对撞机把两个加速到极高能标的质子束对撞在一起，这达到了前所未有的能标，堪称是里程碑式的壮举。大型强子对撞机中的质子束包含数千束以千亿计的严格校准的质子，它们被集中在极小的空间区域中，并被送到地下隧道中环行。1232个超导磁铁排列在加速环的两端以把质子束缚在束管中，电场则把它们加速到极高的能标。其他磁铁（精确数量是392个）精细调节粒子束的取向，以避免两个粒子束彼此绕行与相撞。
1700951342
1700951343
之后（这一步是所有作用将要发生的一步），磁铁引导两个质子束在加速环中以精确的轨道环行，这样它们就可以在一个比人类头发丝宽度还小的区域内对撞了。当对撞发生时，这些被加速质子的某些能量将会体现为质量——正如质能方程式E=mc2 所告诉我们的那样。在激烈的对撞并释放出的能量之时，比以往更重的新基本粒子可能产生。
1700951344
1700951345
当质子对撞时，夸克与胶子也偶尔在小区域、高能标内发生对撞，这有点像藏在气球中的石子，当气球对撞时这些石子也会撞在一起。大型强子对撞机提供的能量足够让我们感兴趣的事件发生，即对撞质子的个体组分撞到一起，其中就包括了对质子荷有贡献的两个上夸克与一个下夸克。然而在大型强子对撞机的能标下，虚粒子也带有质子中相当大的一部分能量。在大型强子对撞机中，虚粒子的“海洋”也随着于质子荷有贡献的三个夸克一起对撞。
1700951346
1700951347
当它发生的时候，粒子数与粒子类型也会发生改变，而这是整个粒子物理学的关键。大型强子对撞机中的新结果会向我们揭示在更小尺度与距离上发生的事情。除了可能存在的子结构之外，它还将告诉我们在更小尺度上物理过程的其他方面。大型强子对撞机的能标是短距离实验的最前沿，至少在可见的未来是如此的。
1700951348
1700951349
技术之上
1700951350
1700951351
现在，我们对小尺度上应用现代甚至存在于想象中的技术的旅行的介绍已经走到了终点。然而，现代人类探索能力的极限并不足以抓住现实的性质。即便看上去我们顽强地发展了探索更小尺度事物的技术，然而我们也可以试着从理论与数学的论据出发，来推导那些小尺度距离上的结构与相互作用。